Technologie trifft Lungenphysiologie

Komplexe Anforderungen, effiziente Lösung

Dank der Kombination aus der Expertise unseres Kunden in Lungenphysiologie und Beatmung sowie unserem Know-how in Elektronik und Software entstand ein mobiler, 2,5 kg leichter Baby-Lungensimulator, der realistische Atemmuster erzeugt und verschiedene Beatmungsverfahren risikofrei trainierbar macht. Das hochpräzise Trainingsgerät unterstützt die realitätsnahe Aus- und Weiterbildung von Ärzten – besonders bei der Beurteilung der Lungenfunktion und der Anwendung von Atemtherapien bei Säuglingen. Der Simulator bietet dabei eine einzigartige Lösung für den risikofreien Umgang mit verschiedenen Beatmungsverfahren.

Zusammenarbeit und Projektumfang

Für das innovative Projekt war aufgrund der hohen Funktionsdichte der Elektronik breit gefächerte Erfahrung gefragt. Dank unserer Expertise im Bereich elektromechanischer Lungensimulation konnten wir den Kunden gezielt bei der Entwicklung von Elektronik und Software unterstützen. Zum Projektumfang gehörten unter anderem das Schaltplan- und Layoutdesign, EMV-gerechte Maßnahmen sowie eine umfassende Qualitätssicherung durch Tests und Prüfungen. 

Ein zentraler Aspekt der Zusammenarbeit war die Balance zwischen technischer Exzellenz und einem klaren Blick auf die finanziellen Rahmenbedingungen – besonders wichtig für ein innovatives, wachsendes Start-up. So entstand eine kostenoptimierte Lösung bei gleichzeitig hoher technischer Qualität.

Die Herausforderungen

Die technische Umsetzung des Projekts stellte hohe Anforderungen an Entwicklung und Systemintegration. Eine der zentralen Herausforderungen war die mechatronische Nachbildung der natürlichen Lungenbewegung – ein komplexes Zusammenspiel aus präziser Sensorik und Aktorik. Gleichzeitig mussten die erfassten Messwerte drahtlos in Echtzeit übertragen werden, unterstützt durch eine mobile Energieversorgung auf Akkubasis. Um diese Anforderungen effizient zu erfüllen, wurde ein leistungsfähiges Firmware-Framework entwickelt. Es ermöglicht die einfache Ansteuerung von Sensoren und Aktoren sowie die zuverlässige Datenübertragung via Bluetooth. So konnte der Kunde die Applikationsfirmware zur Simulation der Lungenphysiologie selbst implementieren – ohne auf tiefgehende Embedded-Software-Kenntnisse angewiesen zu sein.

Technische Details

Das Projekt umfasste die Erstellung des Schaltplans, des Layouts sowie ein EMV-gerechtes Design. Die Entwicklung erfolgte mit Tools wie Altium Designer für das PCB-Layout sowie Keil uVision und STM32CubeMX für die Firmware-Entwicklung.

Der Simulator kombiniert auf einer eigens entwickelten Elektronikplatine verschiedene Technologien, die alle wesentlichen Funktionen zur Lungensimulation und PC-Kommunikation integrieren:

• Echtzeitbetriebssystem (Keil RTX) auf einem Cortex-M4-Mikrocontroller
• Bluetooth-Schnittstelle zur Anbindung an einen PC
• MP3-Codec (VS1053) und Filesystem für das realistische Abspielen von Geräuschen
• Energiesparende Low-Power-Schaltung zum sicheren Akkubetrieb

Ein durch einen DC-Servomotor angetriebener Blasebalg simuliert die Brustkorbbewegung und damit die Lungenfunktion. Die Motorsteuerung erfolgt über die Platine und wird softwareseitig geregelt. Ergänzt wird das System durch:

• Ein Bluetooth-Modul zur drahtlosen Kommunikation
• Eine Ladeschaltung mit Überwachung für NiMH-Akkus
• Sensorik zur Erfassung von Druck, Luftzufuhr, CO₂-Entwicklung und Lungenvolumen
• SPP-basierte (Serial Port Profile) Bluetooth-Datenkommunikation zur Übertragung physiologischer Messwerte und Parameter wie Lungenmechanik und Atemkontrolle

Abschliessend wurde das Gesamtsystem einer sorgfältigen Prüfung sowie umfassenden Funktionstests unterzogen.